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同步整流技术培训
* 现代高频开关电源之同步整流技术 Synchronous Rectifier(SR) Technology By DQA Terry Wang 2010-02-01 Agenda 目录 随着电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作利于降低电路的整体功率消耗,但也给电源设计提出了新的难题。 一、传统二极管整流电路面临的问题 开关电源损耗主要来源 在低压、大电流输出的情况下,整流二极管的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(UFRD)可达1.0~1.2V,即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V的压降,这就导致整流损耗增大,电源效率降低。 功率开关管 高频变压器 输出端整流管 SBD(UF=0.4V) Uo(V) 5 3.3 0.8 PF/Po=UF/Uo(%) 8 12 50 功率MOSFET(UF=0.1) Uo(V) 3.3 1.8 1.5 PF/Po=UF/Uo(%) 3 5.55 6.66 公式推导:忽略输出整流电路的开关损耗时,则PF/PO=UFIF/UOIO. 其中PF与PO分别为SBD的功耗及DC/DC PWM转换的输出功率.对于某些整流电路, 如中点抽头全波整流电路,有IF =IO则有PF/Po=UF/Uo.即UF/Uo反映了功率比PF/Po的大小. 典型MOS管与SBD导通压降比较 二、同步整流技术及其特点 同步整流技术概念 同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET,来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。 同步整流技术特点 二、同步整流技术及其特点 三、同步整流的基本原理 基本原理 根据 SR 工作原理 ,同步整流网络的功率损耗主要包括: ① VD1和VD2 的导通损耗; ② VD1和VD2的反向恢复损耗; ③VM1和VM2 的导通损耗; ④VM1和VM2 的驱动损耗 当开关频率1MHz时,VM1和VM2的栅极驱动损耗占整流网络总损耗的主要部分;而开关频率1MHz时,VM1和VM2 的导通损耗占主导地位。低频情况下,应尽量减小VD1和VD2 的导通时间,或消除VD1和VD2的导通,则电源效率会显著提高.而达到这一目的,关键是优化VM1和VM2 的驱动波形,使其接近于方波,能快速地导通或关断VM1和VM2.VM1和VM2理想驱动波形如左图2.其中Uth1和Uth2分别为VM1和VM2 的阈值电压(一般n channel MOS管的为0.6V~1.4V). 四、同步整流的类别和说明 根据功率 MOS 2SR 驱动形式的不同 ,得到如下同步整流器的分类图。 定义: 交叉式 SR因为 SR1、 SR2 的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名. 其特点: SR 管的驱动网络简单,利用主变压器次级的电压来实现 SR 管的开通与关断 ,无需附加驱动器和附加变压器。 三种SR拓扑:根据变压器的去磁复位方式有: ①正激谐振复位式(FRR) ; ②正激有源钳位复位式( FACL) ; ③正激多谐振复位式(FMRC) . 图5a利用主变压器的谐振复位原理:当开关频率超过一定范围(如 500kHz),通过适当调整主变压器的励磁电感 Lm ,则Lm 与开关管的寄生参数(如:输出电容 Co )谐振的同时 ,使主变压器磁通复位.主变压器的复位时间 Treset和谐振峰值 Um受开关器件的寄生参数 Co 的影响,对策是在 SR1管漏源极间并联一个合适的电容,以便适当降低谐振频率 ,使 Um 减小 ,Treset增大。C1 的最优值是使 Usec在主开关 VMm 开通时刻恰好回到零 图 5b为有源钳位式同步整流 :在变压器初级并联一个有源钳位网络 .该电路显著优点:一是将有源钳位技术引入同步整流器中 .二是具有良好的 SR 驱动波形,其最接近理想波形;另外,同a相比 优点还有: ①钳位网络的存在 ,主开关上的电压应力低; ②主变压器对称工作于 B2H平面的第一、三象限 ,利用率高 ,体积可减小一半; ③恒频工作 ,可以实施 PWM 调制; ④当主变压器的励磁电感 Lm 减小到一定程度 ,可以实现主开关的零电压开通 图 5c SR管的驱动是谐振方式,其特点: ①驱动损耗小(较适用于 1MHz以上的变换器); ②变换器效率低(其驱动波形与理想波形相差较大,肖管导通时间长(约为 20 % TS) ;③电压应力大 ,在500kHz以下无优势可言;④只能采用调频控制。 四、同步整流的类别和说明 背景: Cross SR 的工作原理是利用主变压器次级电压 Usec驱动 SR 管工作的,因而 Cross SR的性能受 Usec制约 ,可归纳为: ①Usec峰值应满足SR管的安全范围 , Uth Usec UGS(break). ②C
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